发表机构：中国农业科学院生物技术研究所
作 者：谷晓峰，梁哲（通讯作者）
水稻作为全球重要粮食作物，提升单产是育种核心目标。我国水稻单产虽高于全球平均水平，但仅为全球最高单产国家的60%左右，且近年增长放缓。传统育种手段已难以满足需求，亟需借助新兴测序技术挖掘产量相关关键基因，而单细胞测序技术以高通量和高分辨率优势，为探究单细胞分子机制提供新途径，但植物领域尚未开展全面的单细胞多组学研究。
长期以来，科研人员通过全基因组、群体遗传等手段挖掘了水稻重要性状调控基因，但对基因在特定细胞类型中的作用及单细胞水平参与组织发育的机制缺乏系统认识。水稻产量与品质依赖根、茎、叶、种子等器官的发育功能，解析单细胞水平的基因调控模式成为突破瓶颈的关键。
研究团队利用10x Genomics单细胞多组学平台，在水稻中首次实现单一细胞水平同步刻画基因表达与染色质调控状态。通过对根、茎、幼叶、旗叶、茎尖、分蘖芽、幼穗和种子8个主要器官的研究，获取超11万个细胞的RNA表达与染色质可及性数据，结合大量原位杂交试验验证，鉴定出54个细胞类型，全面解析了水稻组织层面的功能细胞组成，构建起全球首个水稻多器官单细胞多组学数据库。
该研究开发了水稻细胞命运扰动模拟算法，基于CellOracle算法在不同细胞类型中进行虚拟敲除，预测基因扰动后的细胞轨迹变化。例如模拟RSR1基因敲除，成功预测皮层细胞命运改变并经实验验证，为无需基因编辑分析基因功能提供了智能预测手段。
在转录调控研究方面，团队建立了染色质可及性区域DNA序列motif富集度与转录因子表达趋势相结合的预测流程，系统区分不同细胞类型中转录因子的激活或抑制类型，大规模识别出 250余个关键转录因子调控模式，如ARF8的激活型预测与已有报道高度一致，显著提升了转录调控研究的效率与准确性。
通过单细胞转录组数据的共表达网络分析，研究将水稻基因划分为9个功能模块，其中M2模块与光合作用相关、M4模块参与氮代谢，各模块在不同细胞类型中的富集差异为解析代谢调控网络提供了新思路。
研究进一步整合群体GWAS结果，建立“基因 - 细胞类型 - 性状”三维关联图，发现分蘖数与分蘖芽细胞、粒重与种胚细胞、抗病性与叶表皮细胞等核心性状的精准对应关系。该研究构建的智能预测和设计技术，实现了从单细胞到性状设计的精准对接，为作物智能育种提供了单细胞水平预测设计的新范式，推动水稻高产育种进入精准分子设计新阶段。
发表日期：2025-07-09
